CC BY
45
УДК 621.323
О.О. Сьомка, В.В. Прус
КОМП'ЮТЕРИЗОВАНИЙ Д1АГНОСТИЧНИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВИПРОБУВАНЬ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН НА НАДШШСТЬ
Розроблено структуру дiагностичного комплексу для випробувань електричних машин на надштсть, що забезпечуе необхiднi режими роботи при вартванш температурних i вШрацшних (фактора;. Запропонований комплекс е унфко-ваним та дозволяе враховувати дшсний стан достджуваног машини, а режими випробувань не порушують физику процеыв стартня i зношування конструктивних вузлгв та матерiалiв. Бiбл. 6, рис. 5. Ключовi слова: електрична машина, надшшсть, температура, вiбрацiйнi фактори.
Разработана структура диагностического комплекса для испытаний электрических машин на надежность, обеспечивающего необходимые режимы роботы при варьировании температурных и вибрационных факторов. Предложенный комплекс является унифицированным и позволяет учитывать действительное состояние исследуемой машины, а режимы испытаний не нарушают физики процессов старения и износа конструктивных узлов и материалов. Библ. 6, рис. 5. Ключевые слова: электрическая машина, надежность, температура, вибрационные факторы.
Вступ. Прогнозування стану електричних машин шд час !х виготовлення, ремонту та експлуатаци повинно бути невщ'емною частиною технолопчного процесу. Впровадження систем такого прогнозування на шдприемствах промислово-енергетичного комплексу, залiзничного й морського транспорту, ремонтних заводах i т. ш. значною мiрою шдвищуе показники надшносп та ефективносп використання обладнання.
Невщ'емною складовою процесу прогнозування стану машин е 1х випробовування на надштсть. Особ-ливiсть таких випробувань полягае у розробщ структурно! схеми надшносп, виявленнi основних експлуатацш-них факгорiв, що впливають на надiйнiсть роботи електричних машин та кшьюснш оцiнцi цих факторiв. Як правило до тако! схеми входять конструктивнi вузли та елементи машин, що формують основт потоки вщмов.
Таким чином, для проведення випробувань електричних машин на надшшсть необхвдне обладнання, яке ввдповвдало б вимогам щодо можливосп форсування експлуатацiйних факторiв та не порушувало б фiзику процесiв старшня та зношування матерiалiв конструк-ци при урахуваннi дiйсного стану машини. Щд час проведення випробувань на дiагностичному комплексi повиннi бути враховат критери та вимоги ГОСТiв щодо вщповвдних випробувань, на як розраховано дiаг-ностованi машини. Так, наприклад, при випробуваннях на вiбрацiю нормуеться розташування точок вимiрю-вання вiбропараметрiв, оцiнюваний параметр та його межевий рiвень за встановленими напрямами (ГОСТ 20815-93). Оцiнка теплового стану виконуеться зпдно ГОСТ 11828-86 та ГОСТ 8865-93, що задають умови ощнки нагрiвостiйкостi машини та и iзоляцi!. У ввдпо-ввдносп до стандарпв, випробування електричних машин необхщно проводити по можливостi безпосеред-ньо у 1х номiнальних режимах (81-88), а при наявносп декшькох номiнальних режимiв - у тому з них, при якому перевищення температури е заввдомо бiльшим. Фактично для 70 % електричних машин основним ро-бочим режимом е 81, для якого, у вiдповiдностi до ГОСТ 28173-89, е характерною робота машини при незмшному навантаженш тривалий час при досягненнi шзмшно! температури вах 11 частин.
Через складшсть необхвдного форсування та не-ушфшовашсть обладнання для випробувань двигунiв рiзних типiв та виробникiв на сьогодш фактично ввд-сутнi узагальненi схеми випробувальних систем.
Аналiз результата попередшх досл1джень. 1с-
нують окремi результати розробки унiверсальних дiаг-ностичних комплекав для проведення випробувань електричних машин [1, 2]. Ддагностичний комплекс, наведений у [1], забезпечуе послвдовну роботу одного iз випробуваних електродвигунiв (АД, СД, ДПС) у режимах короткого замикання, неробочого ходу та вшь-ного вибiгу. Конгрольованi параметри рееструються блоком вимiрювання величин, що мютить датчики на-пруги, струму i швидкосп, поеднанi з аналого-цифровим перетворювачем. Керування режимами ви-мiрювання здiйснюегься програмно за допомогою ЕОМ та допом1жних контролерiв. Комп'ютеризований комплекс для пiсляремонтних випробувань електричних машин, побудований зпдно з [2], являе собою су-купнють вимiрювальних датчик1в струму, напруги, вiбрацil та температури, iнформацiя з яких надходить через багатоканальний вимiрювально-керуючий модуль та оброблюеться ЕОМ. Для завдання режимiв випробувань до складу комплексу входять основнi типи керованих перетворювачiв для електричних машин постшного та змiнного струму. Запропонована структура комп'ютеризованого комплексу дозволяе оцшю-вати та прогнозувати змшу паспортних даних, робочих параметрiв та характеристик електричних машин, обу-мовлену змiною властивостей конструктивних вузлiв внаслвдок тривало! експлуатаци та ремонту. До недоль к1в наведених рiшень слад ввднести:
• неможливiсть урахування дшсного стану основних конструктивних вузлiв;
• неможливiсть прямого урахування показнишв надiйностi через вiдсутнiсть устаткування для форсування основних факторiв впливу;
• неможливють безпосередньо! оцiнки параметрiв вiбрацil та температури через вщсутшсть вщповвдно-го вимiрювального обладнання;
• неможливють керування рiвнем вiбрацi! електричних машин через вщсутшсть вщповвдного устаткування;
• неможливiсть змши параметр1в охолоджуючого се-редовища з причини ввдсутносп засобiв формування теплового потоку задано! направленосп та штенсивносп.
Також iснуе ряд робiт, що доводять суттеву змiну теплових та вiбрацiйних параметрiв електричних машин при тривалому напрацюваннi на ввдмову та у про-цесi ремонту [3, 4]. Зокрема, у робот [3] показано
© О.О. Сьомка, В.В. Прус
високу шформативтсть дiагностичних вiбрацiйних параметрiв електричних машин при контролi !х техтч-ного стану в умовах експлуатацй. У роботi [4] доведено, що змiна властивостей осердь електротехтчно! сталi суттево впливае на температуру обмотки статора.
З вище сказаного метою роботи е розробка дГаг-ностичного комплексу, який вiдповiдав би критерГям та вимогам пiд час проведения випробувань, забезпечував реалГзацГю основних режимiв роботи електричних машин та виконання поставлених задач, необхщних у процесi !х прискорених випробувань на надштсть.
Матерiали дослiджень. Визначення та прогнозування показникiв надГйностГ електричних машин передбачае етапи, що пояснюються рис. 1 [5].
с
3
Видшення основних конструктивних вузл1в електричних машин, що визначають IX працездатшсть
Оцшка стану основних конструктивних вузл1в, визначення параметр1в
Визначення контрольованих параметр1в та показниюв надшност1, що оцшюються Р()б((),а(), х() або ю((),Тау, £ Ь
Проведения трифакторного експерименту, визначення коефиценпв залежност1
у = Ь0 + Ь1Х1 + Ь2Х2 + Ъ3Х3 + ь12х1х2 + ъ13х1х3 + Ь23Х2Х3 + Ь123Х1Х2Х3
Виб1р виду закону розиодшу вщмов залежно вщ часу напрацювання на вщмову електрично! машини
Отримання результуючих залежностей для прогнозування основних показниюв надшносп електричних машин на основ1 залежностей для IX конструктивних вузл1в
Кшець
Рис. 1. Алгоритм визначення та прогнозування показниюв надГйностГ електричних машин
Для визначення та прогнозування показниюв надГйностГ електричних машин у вщповщностГ зi стати-стичними даними ремонтних пiдприемств двигуни змшного та постiйного струму умовно розбиваються на вузли, що мають найбшьшу ймовiрнiсть виходу з ладу: обмотка рухомо! та нерухомо! частин, тдшип-никовий вузол, колекторно-щiтковий вузол для дви-гунiв постiйного струму, контактш кiльця для син-хронних генераторiв та асинхронних двигунiв з фаз-ним ротором, шихтоване осердя, вал обертово! части-ни, корпус електрично! машини.
Проводиться попередне оцiиювания стану кожного конструктивного вузла, що включае в себе виявлен-
ня явних несправностей та вiдхилень техшчних та гео-метричних параметрiв: обмотка перевiряеться на цшс-нiсть iзоляцГí та наявнiсть короткозамкнених виткiв; тдшипниковий вузол - на стан тдшипника та зношу-ванiсть пГдшипникових щитГв, рiвень та стан масла; колекторно-щiтковий вузол та контактнi кГльця - на стан контактних елементiв; шихтоване осердя - на на-явтсть коротких замикань мГж окремими листами та ослаблення пресування; вал обертово! частини - на наявнiсть рГзних видГв ексцентриситету; корпус машини - на цшстсть мГсць кршлення (лап або фланцiв) та додаткового оребрення, стан запресування осердя.
Визначаються контрольоваш параметри для основних вузлГв дослiджуваноí електрично!' машини: для обмотки це температура лобових частин 9/; для тдшипникового вузла - температура тдшипника 9Р та вГброшвидюсть ур; для валу - величина прогину 5Г; для корпусу - температура 9к та вГброшвидюсть ук; для колекторно-щГткових вузлГв та контактних кшець - стутнь ГскрГння п
КГлькГсними характеристиками надГйностГ для обмоток ротора й статора, щгток та тдшипниюв е ймовГрностГ безвГдмовно'! роботи Р(^) Г вГдмови ()(?), частота а( та ГнтенсивнГсть вщмов ¿). До кГлькГсних характеристик колекторно-щГткових вузлГв, пускоре-гулюючо'! апаратури, валу роторГв вГдносять параметр потоку вщмов ю(/), середне напрацювання до першо'! вГдмовГ Таг та напрацювання на вщмову
ОсобливГстю визначення контрольованих пара-метрГв е зняття складових вГбрацГ! у режимГ неробочо-го ходу та пГсля вщ'еднання дослщжувано! електрично!' машини вГд джерела живлення з метою видшення 11 електромагттно! складово'!. СтупГнь ГскрГння та прогин валу фксуються фототехткою. Локальне визначення температури конструктивних вузлГв забез-печуеться вГдповГдним розмщенням термодатчикГв.
Як найбГльш ефективнГ фактори форсування, що впливають на надштсть конструктивних вузлГв, ви-користовуються тепловий Г механГчний вплив (серед-ня температура охолоджуючого потоку А90, яка комплексно характеризуе основш джерела нагрГву; вГб-рошвидкГсть V; корисне навантаження на валу Р2).
На практищ на рГзних етапах розвитку дефектГв ви-користовують шГсть основних вГбрацшних методГв до-слГдження рГвня пошкодження вузлГв те елементГв електрично'! машини (СКЗ вГброшвидкосл; аналГз спектру вГбросигналу; метод П1К-фактору; аналГз спектру оги-наючо! вГбросигналу; метод ударних ГмпульсГв; спектра-льний метод ударних ГмпульсГв), що мають сво! переваги та недолГки, стутнь достовГрностГ та можливГсть за-стосування за заданих умов. Визначальним фактором при виборГ методу дГагностування е вГропдтсть отри-муваних результатГв, можливГсть визначення зароджу-ваних дефектГв та ощнка поточного стану. Так, для дГаг-ностування технГчного стану тдшипника найбГльш ш-формативним способом е застосування методу ударних ГмпульсГв у комплекс зГ спектральним аналГзом.
Зазвичай випробування проводяться цикично, Гз повторюваними циклами вщповщно до плану прове-дення повного факторного експерименту (у бшьшост випадкГв трифакторного типу 23).
Залежно вГд перГоду експлуатацГ! електрично!' машини для розрахунку показниюв надГйностГ вико-ристовуеться один Гз основних закотв розподшу.
Узагальнет математичт моделi для розрахунку показнишв надiйностi електричних машин будуються з урахуванням факторiв, що впливають на надшшсть конструктивних вузлiв з наступним об'еднанням отриманих для них залежностей на основi узагаль-нюючого сшвввдношення [6]:
Рр (* )=П р (')'
1
де Р,(/) - ймовiрностi безвщмовно! роботи основних конструктивних вузлiв.
Розроблений пристрiй для прискорених випробу-вань та визначення показник1в надiйностi електричних машин дозволяе отримати !х кiлькiснi значения шляхом вимрювання температури доступних конструктивних вузлiв, таких як щдшипниковий вузол та обмотка статора, а також струмового навантажения i вiбрацi!. Щдви-щена функцiональнiсть пристрою досягаеться за раху-нок контрольованого форсування випробувань шляхом завдаиия та вщпрацювання режшшв роботи випробува-них електричних машин при заданих теплових та вiбра-цiйних впливах. Структурна схема комп'ютеризованого дiагностичного комплексу для випробувань електричних машин на надшшсть наведена на рис.2.
но! напруги (ДН), вiбрацi! (ДВ). Управлiния характеристиками 1С здшснюеться через канали дискретного вводу/виводу (ДВВ). Окремо до ПЕОМ через пере-творювач iнтерфейсiв (П1) подключено датчики температури (ДТ) та надходять сигнали ввд датчика частота обертання (ДЧО).
8 6
г- г 1 » 1 1 1 -— —— 1 1 7 1 1 5 г
1 Л^- I—
ау 1. »г-1 J
Рис. 2. Структурна схема комп'ютеризованого дiагностичного комплексу
Блок форсування при прискорених випробуван-нях електричних машин на надшшсть дозволяе конт-ролювати та змiнювати фактори форсування основних конструктивних вузлiв, що призводить до зменшення часу випробувань. Структурна схема блоку для за-вдання факторiв впливу представлена на рис. 3 та мю-тить наступш елементи: 1 - кроковий двигун; 2 -пружина з нерегульованим коефiцiентом жорсткостi; 3 - електромагнгг; 4 - каркас установки; 5 - кришка столу; 6 - «охоронний цилшдр»; 7 - дослщжувана машина; 8 - гнучка гофра; 9 - каркас техшчного фену; 10 - технчний фен.
Принцип роботи блоку полягае у завданш темпе-ратури навколишнього середовища, що забезпечуеть-ся завдяки подачi технiчним феном 10 повиряного потоку високо! температури через гнучку гофру 8 усередину «охоронного цилiндру» 10. Завдання необ-хщного рiвия вiбрацil реалiзуеться використанням електромагнтв 3, крокових двигунiв 1 (для змши кута нахилу кришки столу) та пружин з нерегульова-ним коефiцiентом жорсткостi 2.
Блок АЦП мае 16 диференщальних каналiв аналогового вводу, до яких через штерфейсш схеми (1С 1-5) можуть бути пiдключенi датчики для вимiрюван-ня основних параметрiв: змiнного струму (ДС), змш-
б
Рис. 3. Зовтшнш вид блоку форсування: а - фронтальна проекщя ; б - профшьна проекцш
Вимiрювальна частина комплексу, структуру яко! представлено на рис. 4, побудована на базi сертифшова-ного вимрювального модуля LCard Е14-440, що мютить аналого-цифровий перетворювач (АЦП) i канали ДВВ та шдключаеться до персонально! ЕОМ (ПЕОМ).
Рис. 4. Структура вимiрювального комплексу
Запропонована схема розташування датчикiв температури та вiбрацi! (рис. 5) дозволяе пвдвищити точшсть вимiрювання параметрiв за рахунок визначення просторового вектора вiбрацi! та локальних температур конструктивних вузлiв. Схема мютить наступш позначення: 1 - датчик температури шдши-пника; 2 - датчик температури навколишнього сере-довища; 3 - датчик радiально! складово! вiбрацi! по осi «у»; 4 - датчик осьово! складово! вiбрацi! по ос «х»; 5 - датчик радiально! складово! вiбрацi! по ос
«z»; 6 - датчик температури обмотки статора; 7 - датчик температури корпусу машини.
^MsitlsJis
IIWilli!■•- -'<111 III]
_£ ЩИ».....'Л
\
( 1 1 _ 1 1\
—
I! --Oft —ml
Рис. 5. Схема розмщення датчикв температури та в1браци
Висновки. У результат дослщжень обгрунтова-но структуру комп'ютеризованого комплексу для ви-пробувань електричних машин на надшшсть, що до-зволяе, з урахуванням !х дшсного стану, у реальному чай зм1нювати температурний та в1брацшний вплив на електричну машину, не порушуючи ф1зику проце-йв старшня та зношування матер1ал1в И конструктив-них вузлiв та елеменпв. Зазначене дае можливють суттево скоротити час, який витрачаеться на прове-дення випробовувань на надшшсть електричних машин, i пвдвищити в1рог1дн1сть отримуваних даних у результат гх проведения.
СПИСОК ШТЕРАТУРИ
1. Закладний О.М., Закладний О.О. УЩверсальний дiагиосту-вальний комплекс для прискорених випробувань електродви-гуиiв // Iиформацiйиий збiрник «Промислова електроенергети-ка та електротехнжа» Промелектро. - 2007. - №4. - С. 35-39.
2. Прус В.В., Колотило 1.А., Угаров А.В. Комп'ютеризований комплекс для тсляремонтних випро-бувань асиихроииих двигуиiв зi змiиою властивостей паке-тiв сталi статорiв // Вюник Кременчуцького державного полiтехиiчиого ушверситету. - 2005. - №3(32). - С. 184-186.
3. Барков А.В., Баркова Н.А., Борисов А.А. Вибрационная диагностика электрических машин в установившихся режимах работы: Методические указания. - Санкт-Петербург: Северо-Западный учебный центр, 2006. - 36 с.
4. Прус В.В., Загирняк М.В., Колотило И.А. Определение максимума температуры обмотки статора отремонтированных асинхронных двигателей // Вюник Кременчуцького державного полггехтчного ушверситету iмеиi М. Остро-градського. - 2008. - №3(50), ч.2. - С. 68-72.
5. Пат. 88527 U Украша. МПК G01R 31/34 (2006.1). Споиб визначення та прогнозування показниюв иадiйиостi електричних машин / О.О. Сьомка, В.В. Прус, - №05385631; Заявлено 12.08.2013; Опубл. 25.03.2014. Бюл. №6. - 4 с.
6. Сёмка А.А. Разработка модели надежности, учитывающей изменение состояния конструктивных узлов электрической машины // Зб. наук. праць Х Мiжн. наук.-техн. конф. молодих учених i спецiалiстiв. - Кременчук. - 28-29 березня 2012. - С. 358-359.
REFERENCES
1. Zakladnyi O.M., Zakladnyi O.O. Universal diagnostic complex for electric motors rapid test. Informatsiinyi zbirnyk «Pro-myslova elektroenerhetyka ta elektrotekhnika» Promelektro -Informational collected papers «Promyslova electroenergetyka ta elektrotekhnyka» Promelektro, 2007, no.4, pp. 35-39. (Ukr).
2. Prus V.V., Kolotylo 1.А., Ugarov A.V. Computer-aided complex for post-repair test of induction motors with change of proper-
ties of stator cores. Visnyk Kremenchutskoho derzhavnoho politekhnichnoho universytetu - Transactions of Kremenchuk State Polytechnic University, 2005, no.3(32), pp. 184-186. (Ukr).
3. Barkov A.V., Barkova N.A., Borisov А.А. Vibracionnaja diagnostika jelektricheskih mashin v ustanovivshihsja rezhimah raboty: metodicheskie ukazanija [Vibration diagnostics of electric machines in steady states of operation: manual]. St. Petersburg, North-West training center Publ., 2006. 36 p. (Rus).
4. Prus V.V., Zagirnyak MV., Kolotylo 1.А. Determination of the maximum temperature of stator winding of repaired induction motors. Visnyk Kremenchutskoho derzhavnoho politekhnichnoho universytetu - Transactions of Kremenchuk State Polytechnic University, 2008, no.3(50), part 2, pp. 68-72. (Rus).
5. Somka О.О., Prus V.V. Sposib vyznachennia ta prohnozu-vannia pokaznykiv nadiinosti elektrychnykh mashyn [Method of determination and forecasting of the indices of electric machines reliability]. Patent UA, no.88527, 2014. (Ukr).
6. Somka O.O. Development of reliability model taking into account the change of the state of electric machine structural units. Zbirnyk naukovykh prats X Mizhn. nauk.-tekhn. konf. molodykh uchenykh i spetsialistiv [Conf. proceedings of the 10th Int. conf. of students and young researches]. Kremenchuk, 2012, pp. 358-359. (Rus).
Надтшла (received) 30.01.2015
Сьомка Олександр Олександрович1, астрант,
ПрусВ'ячеславВячеславович1, к.т.н., доц.,
1 Кременчуцький нацюнальний утверситет
iмеиi Михайла Остроградського,
39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20,
тел/phone +38 0536 743245, e-mail: oleksandrsmk@gmail.com
О.О. Somka1, V.V. Prus1
1 Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 20, Pershotravneva Str., Kremenchuk, Poltava region, 39600, Ukraine. A computerized diagnostic complex for reliability testing of electric machines.
Purpose. To develop a diagnostic complex meeting the criteria and requirements for carrying out accelerated reliability test and realizing the basic modes of electric machines operation and performance of the posed problems necessary in the process of such test. Methodology. To determine and forecast the indices of electric machines reliability in accordance with the statistic data of repair plants we have conditionally divided them into structural parts that are most likely to fail. We have preliminarily assessed the state of each of these parts, which includes revelation offaults and deviations of technical and geometric parameters. We have determined the analyzed electric machine controlled parameters used for assessment of quantitative characteristics of reliability of these parts and electric machines on the whole. Results. As a result of the research, we have substantiated the structure of a computerized complex for electric machines reliability test. It allows us to change thermal and vibration actions without violation of the physics of the processes of aging and wearing of the basic structural parts and elements material. The above mentioned makes it possible to considerably reduce time spent on carrying out electric machines reliability tests and improve trustworthiness of the data obtained as a result of their performance. Originality. A special feature of determination of the controlled parameters consists in removal of vibration components in the idle mode and after disconnection of the analyzed electric machine from the power supply with the aim of singling out the vibration electromagnetic component, fixing the degree of sparking and bend of the shaft by means of phototechnique and local determination of structural parts temperature provided by corresponding location of thermal sensors. Practical value. We have offered a scheme of location of thermal and vibration sensors, which allows improvement of parameters measuring accuracy due to determination of the spatial vector of vibration and local temperatures of structural parts. References 6, figures 5. Key words: electric machine, reliability, temperature, vibration parameters.
